Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Hydrogels conducteurs“

Les polymères intrinsèquement conducteurs (PIC) sont une catégorie de matériaux qui connaissent actuellement un important essor. Cependant, leur principal inconvénient est leur insolubilité dans les solvants usuels. C’est pour cela que de nombreuses études les associent avec des matrices polymère pour former des composites. Lors de cette étude, nous avons synthétisé des copolymères à blocs conducteurs dont la structure chimique est contrôlée. Ces copolymères sont composés d’un bloc "matrice" et d’un second bloc conducteur. La première partie, polystyrène ou polyacrylate, est synthétisée par polymérisation radicalaire contrôlée (ATRP) afin de maîtriser les masses molaires (entre 5 000 et 15 000 g/mol) et la polymolécularité (Ip). La partie conductrice est un oligomère d’aniline. Puis, les deux blocs sont couplés pour former un copolymère dibloc. Cette synthèse est réalisée par voie conventionnelle (chauffage bain d’huile) et sous irradiation micro-onde. Une autre architecture de copolymère est réalisée, il s’agit du greffage de polyaniline sur un polymère naturel, le chitosane. En effet, celui-ci apporte des propriétés filmogène, mais également la possibilité de réaliser des hydrogels par réticulation du copolymère greffé. Ainsi un réseau dans lequel la PANI est répartie de façon homogène est obtenu
Intrinsically conducting polymers (ICPs) are a recent category of materials which currently make strong great strides. However, their main inconvenience is their insolubility in the usual solvents. That’s why lots of studies associate them with polymer matrices to make composites. During this study, conductive blocks copolymers with controlled architecture were obtained. These copolymers consist of a "matrix" block and a second conductive block. The first part, polystyrene or polyacrylate, is synthesized by controlled radical polymerization (ATRP) to control the molecular weight (between 5 000 and 15 000 g / mol) and the polydispersity (Ip). The conductive part is an oligomer of aniline. Then, both blocks are coupled to obtain a diblock copolymer. This synthesis is realized by conventional heating (bath of oil) and under microwave irradiation. Other architecture of copolymer is realized, it consists on the graft of polyaniline onto a natural polymer, the chitosane which brings coating properties, and the possibility of realizing hydrogels by crosslinking of grafting copolymer. So a network in which the PANI is distributed in a homogeneously is obtained

La déionisation capacitive sous écoulement (FCDI) est une technologie de dessalement de l’eau qui repose sur l'adsorption d'ions sur des électrodes fluides, généralement constituées de matériaux poreux à base de carbone, qui permettent de renouveler en permanence la surface des électrodes. Une des principales limitations est le colmatage de la cellule d’écoulement dû à la friction entre les particules solides conductrices. Nous émettons l'hypothèse que ce problème peut être résolu en encapsulant les particules dans une matrice polymère.Ce projet vise ainsi à mélanger des matériaux à base de carbone dans un réseau d'hydrogel réticulé chimiquement, sous forme de billes sub-millimétriques, afin d'obtenir le matériau granulaire fonctionnel recherché. Pour ce faire, une formulation des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs) dispersés dans une phase aqueuse à l'aide de tensioactifs et en présence de monomères a été optimisée. Le gonflement, la conductivité électrique et les propriétés mécaniques des hydrogels composites ont d'abord été étudiés en synthétisant des échantillons en forme de cylindres et de disques, puis en les utilisant comme électrodes statiques pour imiter l'adsorption d’ions de ces hydrogels composites dans des systèmes CDI. De plus, l’efficacité de l’adsorption est améliorée par la co-encapsulation de particules poreuses à base de carbone.Par la suite, plusieurs méthodes ont été utilisées pour façonner ces hydrogels composites sous forme de billes submillimétriques par polymérisation en suspension dans une émulsion. Des difficultés ont été rencontrées pour certaines méthodes en raison de la présence de divers composants tels que des tensioactifs, des monomères ou des particules hydrophobes, affectant la stabilité des émulsions, des suspensions ainsi que le processus de polymérisation. Une première méthode couplant les étapes d’atomisation, d’émulsification et de polymérisation a été développée pour produire des billes de gel pur à haut débit mais n’a pas permis d’encapsuler les MWCNTs. Finalement, une méthode a été élaborée pour limiter ces interactions, et des billes submillimétriques ont finalement été synthétisées. Bien que le procédé soit prometteur, la composition ainsi que le réacteur à flux restent à être optimisés
Flow capacitive deionization (FCDI) is an emerging water desalination technology that relies on the adsorption of ions on fluid electrodes, generally made of porous carbon-based materials, which make it possible to permanently renew the surface of the electrodes. One of the main limitations is clogging of the flow cell due to friction between conductive solid particles. We hypothesize that this problem can be solved by encapsulating conductive particles in a polymeric matrix.This project thus aims at mixing carbon-based materials within a chemically crosslinked hydrogel network shaped as sub-millimetric beads to provide deformable conductive granular material in which ions can diffuse. To do so, multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) were initially dispersed in the aqueous phase with the help of surfactants and later proper formulation was developed to disperse these conductive particles within monomers and crosslinkers solution to form a composite polymeric network. The swelling, the mechanical properties and the electrical conductivity of these composite hydrogels were initially studied by synthesizing bulk samples, and later, used as static electrodes to mimic the salt adsorption in a CDI system. Also, adsorption efficiency is shown to be enhanced by the co-encapsulation of porous carbon-based particles.Later, several methods were investigated to shape these composite hydrogels as sub-millimetric beads by suspension polymerization with an inverse emulsion. Some methods faced limitations and challenges because of the presence of various components like surfactants, monomers or hydrophobic particles, affecting the stability of the emulsions, the suspensions as well as the polymerization process. A first method that couples atomization, emulsification and polymerization steps was developed for producing pure gel beads at a high throughput but did not allow MWCNTs to be encapsulated. Finally, a method was obtained to provide colloidal stability and proper gelling necessary for the formation of sub-millimetric composite gel beads. While the process is promising, the composition as well as the flow reactor need to be optimized

Ce travail de thèse est principalement axé sur la création d'un nouveau réacteur biocompatible permettant l'encapsulation et l'étude de bactéries électroactives. Ce compartiment de taille millimétrique, réalisé par coextrusion, est une capsule à coeur liquide possédant une membrane d'hydrogel conducteur. La synthèse de ce bioréacteur a nécessité la formulation d'un hydrogel composite alginate/nanotubes de carbone en deux étapes. Une première étape rapide crée la matrice d'hydrogel par diffusion d'ions divalents dans un mélange Alginate/nanotubes de carbone. Une seconde étape, plus lente, permet la dialyse du tensioactif stabilisant les nanotubes et la création d'un réseau conducteur au sein de l'hydrogel pour des pourcentages massiques de charges supérieurs à 0,5 %. Ce matériau composite présente alors une conductivité macroscopique d'environ 0,1 S/m. Une étude du matériau par voie électrochimique permet entre autres de suivre cinétiquement la connexion des nanotubes de carbone. Des bactéries peuvent adhérer à la surface de cet hydrogel composite. Nous démontrons qu'il est alors possible de mesurer l'électroactivité d'un biofilm bactérien développé sur la paroi interne d'une capsule conductrice. Ce nouveau compartiment biocompatible ouvre la voie vers le développement d'un outil de criblage pour la sélection de bactéries électroactives mais offre également des perspectives innovantes pour la fabrication de piles bactériennes
This work focuses on the creation of a new biocompatible reactor allowing the encapsulaion and the study of electroactive bacteria. Made by co-extrusion, this millimeter bioreactor is a liquid core capsule with a conducting hydrogel membrane. To create such an object, we formulate a composite hydrogel of alginate/carbon nanotubes in two steps. The first step is rapid and creates the hydrogel matrix by diffusion of divalent ions inside the alginate/carbon nanotubes mix. The second step is slower and permits the dialysis of the surfactant used to stabilize the nanotubes. During this last step, the carbone nanotube network percolates, creating a conducting network in the hydrogel for sufficient nanotube contents (above 0.5 %). This composite material has a macroscopic conductivity around 0.1 S/m. An electrochemical study of this material allows to follow the nanotube connection inside the hydrogel. Bacteria can adhere on this composite hydrogel. Then, we demonstrate that the electroactivity of a biofilm developped on the inner side of the conductive capsule shell can be measured. This new biocompatible and electron-conducting compartment opens the way towards the development of a screening tool for the selection of electroactive bacteria but also brings innovative perspectives in the field of microbial fuel cells fabrication

Suite a la reactivite de leur surface, en presence d'hydrogene atomique, peu d'etudes ont ete menees sur le role de celui-ci, dans les semi-conducteurs ii-vi. Dans ce travail, nous montrons que pour cdte : as, znte : n et znse : n, l'hydrogene peut etre volontairement introduit avec un plasma radiofrequence. Cette avancee permet d'etudier les phenomenes de diffusion et les proprietes de l'hydrogene dans ces composes ii-vi. Dans cdte : as, il est montre que le comportement de l'hydrogene est le meme, quand il est introduit involontairement (durant la croissance) ou intentionnellement (apres exposition au plasma). Les mesures infrarouges montrent que dans les deux cas, un meme complexe as-h est forme. De plus, le mode de vibration associe au complexe as-d a ete detecte. Suite a la formation de ces complexes, la concentration d'accepteurs d'arsenic actifs diminue drastiquement apres plasma. Cependant, l'hydrogene semble aussi interagir avec d'autres centres lies a l'arsenic. Dans znte : n, il a ete trouve que, apres plasma, la concentration de porteurs diminue tandis que la mobilite croit. Cela est significatif d'une neutralisation des accepteurs par l'hydrogene suite a la formation de complexes neutres n-h. En effet, apres hydrogenation (deuteration), un pic d'absorption infrarouge apparait a 3346 cm 1 (2489 cm 1). Il est assigne au mode de vibration en elongation de la liaison n-h (n-d). Ces resultats sont accompagnes d'une discussion sur les profils de diffusion. Enfin, znse : n a aussi ete expose aux plasmas de deuterium et d'hydrogene. Les profils de diffusion exhibent la presence d'un plateau, avec une concentration d'hydrogene proche de celle de l'azote contenue dans les couches. Ce comportement caracterise la creation de complexes h-donneurs et h-accepteurs. Des etudes electriques et de photoluminescence confirment que les accepteurs et les donneurs lies a l'azote sont passives par l'hydrogene. De plus, nous avons developpe un modele qui rend compte de ce comportement.

Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final
In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels (hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material

Negli ultimi anni, i materiali funzionalizzati ibridi hanno iniziato ad essere largamente impiegati in applicazioni altamente tecnologiche, dai sensori bio/medicali alla produzione di energie rinnovabili. Per questa ragione sono diventati l’oggetto di diversi studi nell’ambito della scienza dei materiali. Allo stesso tempo, le molecole organiche coniugate sono state intensivamente analizzate per via delle loro proprietà particolari riconducibili alla presenza di un lungo sistema di legami π, dalla possibilità di condurre elettricità al loro largo spettro di assorbimento della radiazione luminosa. Questo lavoro di tesi si è concentrato sull’introduzione di questi sistemi all’interno di due tipi di materiali ibridi, dei dispositivi fotovoltaici per la produzione di elettricità (in particolare delle celle solari sensibilizzate a coloranti) e di carburanti alternativi (idrogeno), e degli idrogel biocompatibili sensibili agli stimoli (capaci di condurre elettricità e di reagire a stimoli luminosi), ed inoltre sullo studio della loro influenza sulle caratteristiche del materiale finale.
In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material.
Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final.

Des detecteurs de rayonnement a base de diodes p-i-n en silicium amorphe hydrogene (a-si:h) et de couches de diamant polycristallin ont ete elabores par la technique de depot chimique en phase vapeur assiste par plasma. Les echantillons ont ete caracterises afin de determiner les proprietes physiques, optiques et electriques et d'optimiser les conditions de depot du point de vue de la detection de rayonnements. Les detecteurs ont ete testes sous rayonnements de maniere a determiner leurs performances en termes de sensibilite et de rapport signal sur bruit. Les mecanismes de collection des charges ont ete analyses. Dans les diodes p-i-n en a-si:h, l'effet du profil de champ electrique, du transport dispersif des trous et de la recombinaison des charges a ete etudie. Dans le diamant polycristallin, des mecanismes de recombinaison dans le volume des cristallites et au niveau des joints de grains ont ete mis en evidence. L'interaction de rayonnements , et dans les detecteurs a ete etudiee par simulation numerique avec un code de calcul monte carlo et par des mesures experimentales. Le faible pouvoir d'arret permet de detecter de maniere selective des particules chargees en presence d'un bruit de fond du au rayonnement. L'utilisation de diodes a-si:h minces de grande surface permet donc d'ameliorer la sensibilite de detecteurs pour des mesures de contamination surfaciques necessitant une bonne discrimination entre particules chargees et photons. La reponse dosimetrique des detecteurs sous photons ou electrons a ete simulee par la methode de monte carlo et comparee a celle d'un detecteur classique. Des mesures sous faisceau de references ont ete effectuees afin de valider les resultats obtenus par simulation. Le diamant, dont le numero atomique est proche de celui des tissus humains, est un bon materiau equivalent tissu et peut etre utilise pour la mesure de la dose sans apporter de corrections dues a l'energie des photons incidents.

Des monocouches d'alkylthiols et dialkylthiols sont preparees par adsorption spontanee en phase liquide sur des surfaces d'argent evapore. La spectroscopie raman amplifiee de surface montre la coupure des liaisons soufre hydrogene pour les alkylthiols et soufre carbone pour les dialkylthiols lors de l'adsorption. La liaison directe argent soufre est observee dans les deux cas. Les molecules adsorbees montrent un arrangement compact pour les longues chaines. La chaine alkane est alors dans une conformation trans. Cet arrangement ordonne est egalement observe pour des anhydrides adsorbes sur des surfaces d'aluminium evapore et oxyde a l'air a partir d'une etude par spectroscopie infrarouge de surface a transformee de fourier. Les anhydrides s'adsorbent a la surface en formant une monocouche mixte monodentate et bidentate. L'adsorption de l'hydrogene sur des surfaces monocristallines de silicium est etudiee par la spectroscopie infrarouge a multiples reflexions internes. La composition de la surface en monohydrures, dihydrures et trihydrures est quantifiee en fonction du ph de la solution d'attaque d'acide fluorhydrique dilue dans du fluorure d'ammonium. A ph eleve, la rugosite se structure et les dihydrures sont majoritaires a la surface. La technique de perte d'energie a haute resolution montre que les surfaces de silicium traitees dans des solutions d'acide fluorhydrique sont exemptes de toutes contaminations

Cette thèse a été motivée par l’étude d’un procédé innovant de production de substrats ultra-minces (d’épaisseur variant de 15 μm à 70 μm), basé sur l’implantation d’hydrogène à haute énergie, dans notre cas comprise entre 1MeV et 2.5MeV. Une telle implantation suivie d’un traitement thermique approprié, conduit au détachement d’un film mince autoporté, appelé « substrat ultra-mince ». L’intérêt de ce procédé de détachement est purement économique, car il ne génère presque aucune perte de matière première. Nous l’avons particulièrement utilisé pour produire des substrats ultra-minces de silicium (100), pour la production des cellules PV bas-coûts. Dans le but d’élargir les champs d’applications du procédé, le détachement de substrats ultra-minces de deux autres matériaux (le Ge et le SiC) très utilisés en électronique a aussi été étudié. Ainsi, dans cette étude, les paramètres optimaux d’implantation (énergie et fluence) et de recuits conduisant au détachement de grandes surfaces de Si(100) ont tout d’abord été investigués. Ensuite, l’application technologique du procédé proposé a été validée par la réalisation des cellules solaires au moyen des substrats ultrafins de Si détachés (50 μm et 70 μm d’épaisseur). Les performances PV obtenues ont été assez proches de celles obtenues avec une cellule référence réalisée sur un substrat standard. Par la suite, une étude détaillée faite par TEM et par FTIR sur les défauts étendus à différents stades de recuits a permis de mettre en lumière la nature et la distribution spatiale des défauts précurseurs de la fracture dans le Si après implantation à haute énergie. Enfin, des essais de détachements réalisés avec le Ge et le SiC, lesquels ont été comparés au cas du Si, ont permis d’en savoir plus sur les critères de détachement. En effet, plus le matériau sera rigide, i.e. plus il aura un module d’Young élevé, plus la fluence et la température de recuit nécessaires pour le détachement seront élevées
The motivation of this thesis was the study of an innovative process for the production of ultra-thin substrates (with thicknesses between 15 μm and 70 μm), based on the high energy hydrogen implantation, in our case in the range of 1 MeV to 2.5 MeV. Such an implantation followed by an appropriate thermal annealing, lead to the delamination of a freestanding thin layer, that we call “ultra-thin substrate”. The benefit of this delamination process is purely economic, since almost no raw material is lost. We have particularly used this process to produce ultra-thin (100) Si substrates, for the production of low-cost PV solar cells. In order to extend the process application fields, the delamination of ultra-thin substrates of two other materials (Ge and SiC) widely used in electronics has been also studied. In our work, the optimal implantation parameters (energy and fluence) and thermal annealing, leading to the delamination of large areas of Si (100) were first investigated. Subsequently, in order to validate the technological application of our process, solar cells have been performed with ultra-thin silicon substrates delaminated, with thicknesses of 50 μm and 70 μm. Results of PV performances obtained were quite close to those obtained with a reference solar cell achieved on a standard substrate. After that, in order to highlight the nature and the spatial distribution of fracture precursor defects after high energy hydrogen implantation in silicon, which had not yet done so far the subject of specific studies, characterizations have been carried out at different annealing stages, by means of TEM and FTIR. Finally, delamination results obtained with Ge and SiC, which were compared to the case of Si, helped us to learn more about delamination criteria. Indeed, we observed that, as the material rigidity increase, i.e. as the Young modulus is higher, the fluence and temperature require for the delamination will be also high

Une cellule d'excitation utilisant le bombardement électronique des molécules d'un gaz a été mise au point pour servir de source d'ions dans les études et les traitements de surface de semi-conducteurs sous ultravide. Elle communique avec l'enceinte principale par un trou de petit diamètre et fournit un flux directif d'ions de faible énergie. Cette cellule a été utilisée pour étudier, par spectroscopie de rendement de photoémission au seuil, l'interaction d'ions H2+ avec la surface (110) clivée de GaAs et InP. Un phénomène caractéristique de ces surfaces fortement hydrogénées a permis de mettre en évidence un processus d'érosion couche par couche avec GaAs.